高速鐵路GIS高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測裝置研究

詹廣振

(中國鐵路鄭州局集團有限公司 新鄉(xiāng)供電段， 河南新鄉(xiāng) 453000)

GIS開關(guān)柜是我國高速鐵路牽引變電所(包括分區(qū)所、AT所)的重要組成部分，由于其集成度高、少維護甚至免維護、可靠性高、便于布置和減少占地面積等優(yōu)點，而在我國高速電氣化鐵路廣泛應(yīng)用。GIS開關(guān)柜的高壓元器件被封閉在金屬柜體內(nèi)，不僅無法觀察到其運行的狀態(tài)，而且也無法對其柜內(nèi)的斷路器、隔離開關(guān)、互感器等高壓元件進行常規(guī)的檢修試驗，其可靠性直接影響著我國高速鐵路的安全供電。如在鄭州鐵路局集團公司新鄉(xiāng)供電段管內(nèi)的京廣高鐵，曾經(jīng)發(fā)生了幾起當接觸網(wǎng)線路上有600 A以上的負荷電流時，分區(qū)所的GIS開關(guān)柜，就會發(fā)出很大的不正常的異聲，通過設(shè)備廠家工程技術(shù)人員現(xiàn)場聽GIS開關(guān)柜的音響、氣體味道以及氣體的檢漏等方面的檢查的情況，反饋到設(shè)備廠家的專家團隊進行綜合分析確定為GIS柜內(nèi)部放電。故障性質(zhì)的確定與現(xiàn)場檢查的工程技術(shù)人員業(yè)務(wù)能力、積累的實踐經(jīng)驗有很大關(guān)系，而且確定故障的時間比較長。為保證京廣高鐵的安全運行，及時發(fā)現(xiàn)GIS柜在運行中出現(xiàn)的局部放電現(xiàn)象，做到早期預(yù)防，研制了一套基于脈沖電流法的高速鐵路GIS柜局部放電在線監(jiān)測裝置，以期實現(xiàn)對GIS柜故障早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理，從根本上避免GIS柜故障的發(fā)生，保障GIS柜安全可靠的運行[1-2]。

1 監(jiān)測的原理

局部放電是指由于電氣內(nèi)部絕緣中存在的弱點，在一定外施電壓下發(fā)生的局部重復(fù)擊穿和熄滅現(xiàn)象[3]。一般情況下如果局部放電不是很嚴重，對電氣設(shè)備的絕緣影響不大，但局部放電現(xiàn)象如果長期存在就會對設(shè)備絕緣造成損害。局部放電過程中的視在放電量是判斷設(shè)備絕緣是否老化的關(guān)鍵參數(shù)，視在放電量越大，表明絕緣設(shè)備老化的程度越深，存在的風險越大。該裝置采用脈沖電流法作為測量原理，能夠準確的測量出電氣設(shè)備的視在放電量，脈沖電流法也是唯一能夠準確測得視在放電量的測量原理。脈沖電流法是一種應(yīng)用最為廣泛的局部放電測試方法(以下文中“局部放電”=“局放”)，國際電工委員會(IEC)專門對此方法制定了相關(guān)標準(IEC-60270)[4]。圖1為脈沖電流法測量回路：

圖1 脈沖電流法測量回路

圖1為脈沖電流法的基本回路。其中，Ca代表被試品的電容；Ck代表耦合電容；Zm代表監(jiān)測阻抗；MG代表測量儀器。這種回路是要把在一定電壓u作用下的被試品Ca中產(chǎn)生的局放脈沖信號傳遞到Zm的兩端，然后通過放大器送到測量儀器。檢測阻抗Zm的作用是獲取局放所產(chǎn)生的高頻脈沖信號。由于信號幅度很小需要經(jīng)過放大器予以放大，所以Zm與放大器在特性上需相互匹配。它們關(guān)系到測量的靈敏度與脈沖分辨率[5]。

在測試儀上所測得的局放脈沖值是與試驗的局放視在電荷量q成比例的，他們之間的具體比例關(guān)系與測量回路和放大器等都有關(guān)，要從指示值來計算視在放電電荷量q是困難的，需要通過試驗來確定，即脈沖電流法的測量儀器必須進行實驗校正。校正方法是在原有的回路被試品的兩端發(fā)出模擬局放的一致放電量大小的脈沖[6]，在測量儀器上與被試品發(fā)出的局放信號進行比對觀察，從而得到被試品局放視在放電量的大小。

2 監(jiān)測裝置總體設(shè)計

GIS高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置由中央數(shù)據(jù)分析器主機、局放傳感器、局放圖譜分析儀、信號傳輸電纜等幾個環(huán)節(jié)構(gòu)成。其構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 GIS柜局放在線監(jiān)測裝置示意圖

中央數(shù)據(jù)分析器主機，通過信號傳輸電纜接收來自局放傳感器的信號，對信號進行分析，并通過網(wǎng)絡(luò)通信接口將分析結(jié)果傳輸至局放圖譜分析儀。主機有自我檢測和局放報警功能，最多可同時監(jiān)測8路用電設(shè)備。

局放傳感器，用于對高壓開關(guān)柜的局放信號進行采集[7]。局放傳感器包括電容耦合式局放傳感器、電感耦合式局放傳感器和空間電磁波式局放傳感器。電容耦合式局放傳感器包括耦合電容和與其連接的第1局放信號放大器，第1局放信號放大器將耦合電容采集到的脈沖電流信號進行放大，通過信號傳輸電纜送給中央數(shù)據(jù)分析器主機分析；電感耦合式局放傳感器包括羅科夫斯基線圈和與其連接的第2局放信號放大器；空間電磁波式局放傳感器包括天線和與其連接的第3局放信號放大器。中央數(shù)據(jù)分析器主機分別與上述3個局放傳感器連接，所述3個局放傳感器單獨使用或組合使用。

局放圖譜分析儀，用于對所述采集的局放信號進行分析，通過局放圖譜，判斷局放類型和局放源的位置。

信號傳輸電纜為帶屏蔽的同軸電纜。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案

3.1 系統(tǒng)抗噪技術(shù)的研究

電力設(shè)備中如出現(xiàn)微小的局放，其感應(yīng)出的電信號是微小的，傳感器感應(yīng)到的電壓信號將是幾十毫伏級，如此小的脈沖信號必將受到諧波、開關(guān)設(shè)備的操作、空間噪聲等信號的干擾，在此條件下進行局放信號的采集是非常困難的，為保證該系統(tǒng)具有最高的靈敏度，對局放信號進行篩選和區(qū)分是必要的，為此選擇軟硬件相結(jié)合的方式來提高信噪比[8]。

(1)信號采集頻段的選擇。選擇高于傳統(tǒng)脈沖電流法所使用的100子表kHz的信號頻段，采樣帶寬范圍達到10 MHz以上，主要采集10 MHz以上的局放信號，由于大部分噪聲的頻段小于1 MHz，在這個頻段下采集信號能夠有效的提高信噪比。所以在研發(fā)過程中，分析主機采用了高頻信號采集系統(tǒng)。

(2)傳感器的選擇。選擇開關(guān)柜中普遍配置的絕緣子式電容傳感器。該類傳感器具有穩(wěn)定、抗干擾能力較強的特點。相對于超聲波、地電波、高頻電流互感器等傳感器，絕緣子式電容傳感器不易受空間噪聲影響。該傳感器有較高的帶通，可以采集10 MHz以上的局放信號。同時放大器可以直接配合開關(guān)柜的帶電指示裝置的相序接口使用。

(3)局放信號放大器的選擇。該系統(tǒng)所使用的局放信號放大器與傳統(tǒng)的信號發(fā)生器有本質(zhì)的不同，此放大器使用3個模擬信號入口和1個信號出口，3個信號入口分別接收從來自連接在三相母線上的傳感器上傳來的信號，經(jīng)過放大器處理放大后，由信號出口傳輸給分析主機。同時將放大器的帶寬設(shè)計為10 MHz以上。這樣，經(jīng)分析主機出口的信號，只放大輸出三相信號的差模信號，共模信號被視為背景噪聲被放大器濾除。使用該放大器能夠顯著提升系統(tǒng)整體的抗干擾能力，大大降低背景噪聲，進一步提高了測量值的準確性。

(4)數(shù)字抗噪處理，設(shè)置了噪聲抑制功能，通過特殊算法設(shè)計，能自動識別并處理部分噪聲，得到較為純凈的局放信號相圖[9]。

3.2 故障定位

當高壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生局放時，不僅希望實時監(jiān)控電氣設(shè)備的局放視在放電量，而且還希望在設(shè)備出現(xiàn)較為嚴重的局放時，能對故障進行大致的定位，以方便后續(xù)的檢修工作。通過判斷局放出現(xiàn)的相位位置，以實現(xiàn)基本的故障定位功能[10]。

(1)分析主機與設(shè)備的工頻同步的實現(xiàn)，想實現(xiàn)故障定位，分析主機首先需要與被監(jiān)測設(shè)備工頻同步，分析主機通過采集電源的工頻信號，經(jīng)過校準儀對其進行相角的校準后便可與被監(jiān)測設(shè)備工頻同步。

(2)分析局放相圖實現(xiàn)故障定位,一般情況下，局放發(fā)生在工頻電壓值上升階段，即0°～90°和180°～270°之間,依靠后臺軟件系統(tǒng),我們能夠非常容易的判斷故障點發(fā)生在具體的哪一相,如圖3所示。從圖中可以看出故障發(fā)生在第二相。

圖3 GIS柜局放故障定位相圖

3.3 脈沖電流法測量的校準

由于原理是直接測量與被監(jiān)測設(shè)備電氣耦合的電容傳感器上的局放信號，脈沖電流法是唯一能夠直接得到設(shè)備局放視在放電量的方法。在分析主機上所測得的局放脈沖是與試驗的局放視在放電量q成比例的，它們之間的比例關(guān)系與測量回路和放大器等都有關(guān)，要從指示值來算的視在放電量是非常困難的，一般通過試驗的方式去校準。為此研制了專門針對在線方式校準的局放校準儀，一般的局放校準儀只能實現(xiàn)離線校準，而該校準儀可實現(xiàn)在線校準與離線校準。

3.4 智能數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)平臺

為了方便相關(guān)人員對被監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控、分析與管理，該系統(tǒng)提供有強大的智能數(shù)據(jù)分析管理平臺，該平臺與分析主機通訊后，有向用戶顯示各分析主機、各通道的實時相圖、三維相圖、提示、報警等功能，形成一套完整的分析管理系統(tǒng)。今后，結(jié)合此平臺數(shù)據(jù)庫，還可以依靠人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊識別技術(shù)對被監(jiān)測設(shè)備進行放電類型識別工作。

4 技術(shù)研究與試驗綜合分析

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

利用10 kV 配網(wǎng)平臺實測試驗，考核GIS高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置的靈敏度、抗干擾性、可靠性，并與北京電科院的試驗室局放檢測設(shè)備進行對比，最終得出該產(chǎn)品的綜合性能分析結(jié)論和評估實際應(yīng)用價值。

4.2 試驗方法

預(yù)先在10 kV 配網(wǎng)試驗平臺的245-5開關(guān)柜上，安裝高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置，并在該柜內(nèi)搭建了一個放電量比較大的金屬懸浮放電缺陷。

對開關(guān)柜施加電壓后，利用局放校準器對高壓開關(guān)柜局放監(jiān)測裝置進行在線校準。試驗過程中先對245-5開關(guān)柜施加一定等級的電壓至有明顯的局放信號后，利用局放校準器對高壓開關(guān)柜局放監(jiān)測裝置校準并進行局放的監(jiān)測。同時使用北京電科院試驗室局放檢測設(shè)備進行對比測試。

4.3 測試結(jié)果

對245-5開關(guān)柜施加電壓為單相4 kV，利用高壓開關(guān)柜局放監(jiān)測裝置進行檢測，其放電量為大于500 pC(超出量程，量程為500 pC)，測試圖譜如圖4所示。

圖4 局放監(jiān)測裝置測試圖譜

利用便攜式開關(guān)柜局放測試系統(tǒng)進行測試，放電量為771 pC(量程為2 000 pC)。測試圖譜如圖5所示。

圖5 便攜式測試系統(tǒng)測試圖譜

從圖4、圖5看出，當在245-5開關(guān)柜內(nèi)搭建了一個放電量比較大的金屬懸浮放電缺陷時，用高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置和便攜式開關(guān)柜局放測試裝置測試時，兩者圖譜一致。

通過本次試驗，得到如下結(jié)論：

(1)高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置可實現(xiàn)開關(guān)柜的局放在線監(jiān)測，放電量測試比較準確。

(2)高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置可用局放校準器在線校準，測量數(shù)值準確，抗干擾能力強，能夠有效區(qū)分和排除現(xiàn)場的干擾信號，適合變電站現(xiàn)場測試應(yīng)用。

(3)高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置分析軟件能夠清晰顯示局放幅值，特征圖譜等信息，準確判斷局放類型、局放大小、局放位置。

5 京滬高鐵泰鐵牽引變電所測試情況

2015年11月在京滬高鐵泰鐵牽引變電所201GIS柜上進行在線局放的測試，并與超聲波、TEV地電波局放檢測設(shè)備進行了對比。測試包括高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置的測試效果、傳感器靈敏度、重復(fù)性以及局放模式識別功能等。本次試驗的201GIS開關(guān)柜內(nèi)安裝了一小段切斷的電纜，電纜裸露的線芯尖端會發(fā)生尖端放電缺陷。對該柜施加單相4 kV電壓，利用該局放裝置進行檢測，放電量為11 pC，測試圖譜如圖6所示。

圖6 高壓開關(guān)柜局放測試裝置測試圖譜

同等條件下使用TEV地電波和超聲波進行測試未能檢測到局放。

6 京廣高鐵GIS柜異音檢查情況

鄭州鐵路局集團公司新鄉(xiāng)供電段管轄的京廣高鐵牽引變電所使用的GIS柜，在運行中，當接觸網(wǎng)線路上有600 A以上的負荷電流時，姬莊AT所272GIS柜、白馬分區(qū)所273、274GIS柜就會發(fā)出很大的不正常的異音。由于GIS柜是一個完全密封的電氣設(shè)備，其內(nèi)部的斷路器、三工位隔開、避雷器、母線等，在日常的設(shè)備巡視檢查中，根本無法觀察到其運行的狀態(tài)。設(shè)備廠家的有關(guān)專家，也多次到現(xiàn)場進行技術(shù)指導(dǎo)，得出的結(jié)論可能是由于GIS柜中有大電流通過時諧振引起[11]，也可能是GIS柜內(nèi)部高壓電纜與柜的連接處、柜體內(nèi)部內(nèi)錐腔等處接觸不良放電引起。

為了驗證GIS柜局放在線監(jiān)測裝置的準確性、可靠性，有效判斷GIS柜的局放類型、大小以及具體位置，2017年8月15日使用該裝置對姬莊AT所272GIS柜、白馬分區(qū)所273、274GIS柜，分別進行局放的測試，測試采用從GIS柜高壓帶電顯示裝置位置采樣的方式進行。

6.1 GIS柜測試情況

(1)姬莊AT所272GIS柜測試情況

當接觸網(wǎng)線路上有500 A的電流時，利用高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置進行測試，放電量為11 pC，測試圖譜如圖7所示。

圖7 姬莊AT所272 GIS柜測試圖譜

(2)白馬分區(qū)所273 、274GIS柜測試情況

當該所273、274 GIS柜分別顯示有650 A、500 A的電流時，該監(jiān)測裝置均未發(fā)現(xiàn)GIS柜內(nèi)部有放電情況。測試圖譜如8所示。

圖8 白馬分區(qū)所273 GIS柜測試圖譜

6.2 GIS柜廠家設(shè)備檢查情況

(1)姬莊AT所272GIS柜檢查

2018年1月16日“天窗”，把272GIS柜T、F相高壓電纜頭從GIS柜中拔出檢查，T、F高壓電纜頭均無燒傷、損傷現(xiàn)象。把2號電壓互感器從272GIS柜頂部拔出，檢查發(fā)現(xiàn)電壓互感器插接絕緣接頭處有4處明顯的放電麻點。對放電麻點進行處理投入運行后，異聲消失。

(2)白馬分區(qū)所273 、274GIS柜檢查情況

2018年1月29日“天窗”，解體檢查白馬分區(qū)所273、274GIS柜T、F相高壓電纜頭及3、4號電壓互感器，發(fā)現(xiàn)273、274GIS柜T、F相電纜頭及3、4號電壓互感器插接絕緣接頭上面有很多硅脂，并且在靠近GIS柜部位硅脂已經(jīng)固化，檢查273、274GIS柜電纜頭及內(nèi)錐腔，3、4號電壓互感器插接絕緣接頭及內(nèi)錐腔，均無燒傷、損傷現(xiàn)象。將固化硅脂進行清理，設(shè)備投入運行后，未再發(fā)現(xiàn)有異聲現(xiàn)象。異聲產(chǎn)生的原因主要是由于GIS柜在現(xiàn)場安裝過程中使用的硅脂固化，對GIS柜形成電位差造成。

由此可知，使用GIS高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置，帶電監(jiān)測京廣高鐵姬莊AT所272GIS柜，白馬分區(qū)所273、274GIS柜，其測試結(jié)果與GIS柜設(shè)備廠家現(xiàn)場檢查結(jié)果一致。

7 應(yīng)用前景

高速鐵路已經(jīng)成為我國的一張名片，其運行的安全可靠性不言而喻。GIS柜是高速鐵路牽引變電所的重要組成部分，已被中國鐵路總公司列入《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》，也就是說高速鐵路牽引變電所2×27.5 kV側(cè)必須使用GIS柜。由于GIS柜的高壓元器件都被封閉在金屬柜體內(nèi)，不僅無法觀察到其內(nèi)部各個元器件的運行的狀態(tài)，而且到目前為止，尚未有能夠有效檢測GIS柜內(nèi)部放電的檢測儀器、測量儀表。因此當牽引變電所的值守人員在設(shè)備巡視檢查時，即使是聽到GIS柜內(nèi)部發(fā)出的諸如變壓器不正常的聲響時，也要立即與設(shè)備廠家聯(lián)系處理，由設(shè)備廠家的工程技術(shù)人員通過氣體定性檢漏儀的檢測、仔細認真的聽開關(guān)柜的聲響、是否有異常的氣體味道等多方面的檢查分析判斷，給出一個初步的結(jié)論，然后把現(xiàn)場檢測的各種信息反饋到設(shè)備廠家的專家技術(shù)團隊，再進行綜合分析判斷，以確定GIS柜內(nèi)部是否有問題，而且問題性質(zhì)的確定與現(xiàn)場檢查的工程技術(shù)人員積累的實踐經(jīng)驗有很大關(guān)系。所以全路各擁有高速鐵路運營的供電段等單位，都非常重視GIS柜在運行中出現(xiàn)的各類信息，但對GIS柜都缺乏行之有效的檢測手段，即使是設(shè)備廠家也沒有對GIS柜內(nèi)部放電進行定量檢測的儀器儀表。而該裝置能夠準確的監(jiān)測京廣高鐵新鄉(xiāng)供電段管內(nèi)姬莊AT所272GIS柜內(nèi)部放電故障，判斷出白馬分區(qū)所273、274GIS柜在運行中發(fā)出的不正常的異聲為非內(nèi)部放電引起，說明GIS柜局放在線監(jiān)測裝置能夠有效的監(jiān)測GIS柜的內(nèi)部放電故障。正基于此，使用該裝置對管內(nèi)京廣高鐵13個所亭的所有GIS柜進行了在線監(jiān)測，均未發(fā)現(xiàn)GIS柜內(nèi)部有局放現(xiàn)象，實現(xiàn)了GIS柜局放故障的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理。

隨著中國鐵路總公司《牽引供變電所實施無人值班值守工作的指導(dǎo)意見》(工電函〔2018〕101號)的實施，GIS高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測裝置會將局放監(jiān)測作為標準化配置，推動高速鐵路GIS柜全行業(yè)智能化監(jiān)測水平的提升，通過GIS柜局放在線監(jiān)測，能夠快速捕捉因GIS柜內(nèi)部放電的事故征兆，早期預(yù)警，防范故障，減少突發(fā)性惡性事故變得相對容易和準確，為GIS柜內(nèi)部存在的故障或潛在故障的判斷提供依據(jù)。

8 結(jié)束語

針對我國高速鐵路使用的GIS柜全密封、無法對其內(nèi)部進行電氣監(jiān)測試驗的特點，按照上述監(jiān)測原理，研制了一套高壓開關(guān)柜局放實時在線監(jiān)測裝置。使用該裝置對京廣高鐵新鄉(xiāng)供電段管內(nèi)的姬莊AT所272GIS柜，白馬分區(qū)所273、274GIS柜運行中出現(xiàn)的異聲問題進行帶電測試，準確的判斷姬莊AT所272GIS柜局放的類型、大小、位置，清晰顯示高壓開關(guān)柜內(nèi)部局放的幅值、特性圖譜等信息，找到了GIS柜運行中產(chǎn)生異聲的原因，測試結(jié)果與GIS柜設(shè)備廠家的現(xiàn)場檢查結(jié)果一致。